反循環(huán)鉆孔灌注樁施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用

反循環(huán)鉆孔灌注樁施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用【摘要】通過對(duì)某高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中353根樁采用反循環(huán)鉆孔灌注樁進(jìn)行施工?？偨Y(jié)了在非自重失陷性黃土地質(zhì)條件下的采用反循環(huán)作業(yè)的方法對(duì)鉆孔灌注樁的施工工法和作業(yè)難點(diǎn)。為失陷性黃土地基條件下高層建筑結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)施工提供一定的建議。

【關(guān)鍵詞】反循環(huán)作業(yè)；鉆孔灌注樁；樁基礎(chǔ)；高層建筑

隨著國家基本建設(shè)投入的增大以及高層建筑的發(fā)展，鉆孔灌注樁現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于高層建筑、公路橋梁等樁基礎(chǔ)的施工。沖(鉆)孔灌注樁以其承載力高，沉降量小，經(jīng)濟(jì)，施工方便，且適用范圍廣，能穿越地下水位上下的各類復(fù)雜地層，形成較大的單樁承載力，適應(yīng)各種地質(zhì)條件和不同規(guī)模的建筑物等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但由于沖(鉆)孔灌注樁是一種樁孔和樁身均不可見的樁基形式且由于目前施工單位的素質(zhì)參差不齊，對(duì)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)，在施工中常發(fā)生樁孔傾斜、塌孔與縮徑、梅花孔、鋼筋籠上浮、樁底沉渣過厚或樁底混漿等等質(zhì)量問題，導(dǎo)致質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。發(fā)生質(zhì)量事故后，加固處理難度大，不僅影響工程質(zhì)量和工期，且處理成本較高，造成投資浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)沖(鉆)孔灌注樁施工中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，探討其成因并提出預(yù)防措施及處理方法[1-7]。

1鉆孔灌注樁反循環(huán)工藝的基本原理

泵吸反循環(huán)是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內(nèi)腔形成負(fù)壓，在孔內(nèi)液柱和大氣壓的作用下.孔壁與環(huán)狀空間的沖洗液流向孔底，將鉆頭切削下來的鉆渣帶進(jìn)鉆桿內(nèi)腔，再經(jīng)過砂石泵排至地面沉淀池內(nèi);沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內(nèi)，形成反循環(huán)。反循環(huán)與正循環(huán)的本質(zhì)區(qū)別在于沉渣的沖洗、上返流速存在巨大差異，反循環(huán)沖洗液拚帶鉆渣后迅速進(jìn)人過水?dāng)嗝孑^小的鉆桿內(nèi)腔，可以獲得比正循環(huán)高出數(shù)十倍的上返速度[6-7]。

根據(jù)鉆探水力學(xué)原理，沖洗液在鉆孔內(nèi)的上返速度va為鉆渣顆粒懸浮速度的vs的1.2-1.5倍左右，當(dāng)反循環(huán)鉆進(jìn)鉆渣在鉆桿內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，形態(tài)各異的鉆渣群在有限的空間懸浮運(yùn)動(dòng)。在這種條件下采用利延哥爾公式計(jì)算顆粒懸浮的速度vs為：

（1）

其中為鉆渣顆粒懸浮速度，單位m/s;為顆粒群最大粒徑，m；為鉆渣顆粒的密度，；為沖洗液密度，；為巖屑濃度系數(shù)，取0.9-1.1；濃度越大，越小。為巖屑顆粒系數(shù)，取1.0-1.1，當(dāng)為球形顆粒時(shí)取1.0；顆粒越不規(guī)則，越大。

2工程概況

西安某高層建筑，建筑面積41539m2，高度98m，地下一層，地上25層，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基坑尺寸為63.5m×55.6m。地基處理采用樁基，據(jù)勘探資料，工程樁施工所遇到的土層自上向下依次為：雜填土；黃土狀土；古土壤；粉質(zhì)粘土；細(xì)砂；中砂；粉質(zhì)粘土；中砂；粉質(zhì)粘土；中砂；粉質(zhì)粘土；中砂；粉質(zhì)粘土組成，地貌單元屬渭河ⅱ級(jí)階地。施工場地屬非自重濕陷性黃土場地。水文地質(zhì)資料：實(shí)測(cè)施工場地穩(wěn)定水位深度為12.8m－13.00m，相應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高69.71m-369.91m。地下水屬于潛水類型。地下水年變化幅度在1.5米之間。地下有4~6.5m的砂層，對(duì)處理處理地基設(shè)計(jì)院要求用反循環(huán)灌注樁。φ800直徑灌注樁，設(shè)計(jì)樁長35.1m，單樁豎向極限承載力≥9600kn,總樁數(shù)為250根（其中3根φ800試樁，樁長36.1m。12根φ800錨樁，樁長36.1m）。φ600直徑灌注樁，設(shè)計(jì)樁長27.1m單樁豎向極限承載力≥4600kn，總樁數(shù)為103根。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)：φ800試樁位c45，錨樁及其余工程樁均為c40。

3鉆孔灌注樁的施工技術(shù)

3.1施工前準(zhǔn)備

3.1.1場地平整、清除雜物,回填土應(yīng)夯打密實(shí)，并接通水、電源，做好三通一平的準(zhǔn)備工作；

3.1.2設(shè)置閉合導(dǎo)線網(wǎng)并與市政高級(jí)控制點(diǎn)閉合。

3.1.3挖泥漿池、沉淀池、儲(chǔ)水池、準(zhǔn)備合格粘土或膨潤土；

3.1.4埋設(shè)護(hù)筒,護(hù)筒四周應(yīng)夯實(shí),頂端高出地面30cm,底部埋深1.5-2.0m,護(hù)筒直徑比樁徑大20cm,上下正直,護(hù)筒中心線平面偏差小于5cm。一般用鋼質(zhì)護(hù)筒,鋼板厚0.8-1.0cm。護(hù)筒用人工或機(jī)械方法埋設(shè),并探明地下障礙物；

3.1.5樁架就位。機(jī)架要平直,機(jī)座墊穩(wěn),不能軟硬不均,一般樁機(jī)下墊枕木。鉆孔過程中機(jī)架不能移位，并不能產(chǎn)生不均勻沉降；

3.1.6你將指標(biāo)的控制：泥漿指標(biāo)：粘土層16°-17°,砂層17°-19°,含砂率不超過8%,膠體率90%以上,比重1.2-1.4左右。泥漿質(zhì)量直接影響鉆孔進(jìn)度；

3.1.7現(xiàn)場開挖后，用磚砌泥漿沉淀池?cái)嗝娉叽鐬?500mm×4000mm（寬×深）、泥漿池?cái)嗝娉叽鐬?500mm×4000mm（寬×深）和清水池?cái)嗝娉叽鐬?.5米×4.0米（寬×深）以及循環(huán)槽，磚砌體表面用水泥砂漿抹面，防止失水過多，引起池壁坍塌。主循環(huán)槽的斷面尺寸為800mm×1000mm（寬×深），支循環(huán)槽斷面尺寸為400mm×400mm.坡度不小于1/100，以滿足砂石泵正常工作需要；

3.2關(guān)鍵施工過程及其質(zhì)量控制

3.2.1鉆孔施工：循環(huán)系統(tǒng)采用自流回灌式系統(tǒng)，簡單而且清渣容易，循環(huán)可靠。循環(huán)路線為：泥漿池→泥漿槽→孔口→鉆桿與鉆孔環(huán)狀空間→鉆頭→鉆桿內(nèi)孔→水龍頭→砂石泵→排漿膠管→沉淀池→泥漿池

鉆機(jī)移動(dòng)采用吊車吊運(yùn)就位，到位后用枕木墊平鉆機(jī)，并用水平尺從不同四個(gè)方向測(cè)量轉(zhuǎn)盤是否水平，若不水平加墊薄木板精心調(diào)平，加以固定，保證鉆機(jī)正常鉆進(jìn)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，不發(fā)生晃動(dòng)，確保鉆機(jī)的天車、轉(zhuǎn)盤和樁位中心三點(diǎn)在一條垂直線上。鉆機(jī)移位時(shí)，由有經(jīng)驗(yàn)的操作手進(jìn)行操作，并有專人統(tǒng)一指揮，電纜有專人照看，防止將電纜拉斷造成事故。鉆孔按下列要求進(jìn)行操作：

（1）開孔采用人工挖孔，挖孔深度為1.5m左右，便于鉆機(jī)反循環(huán)鉆進(jìn)。

砂石泵啟動(dòng)前，鉆頭提離孔底0.2m，孔內(nèi)沖洗面與孔口平齊，砂石泵啟動(dòng)后，待形成正常反循環(huán)后開機(jī)輕壓慢速，下放鉆頭到孔底，逐漸加大轉(zhuǎn)速和調(diào)整鉆壓。

（2）鉆進(jìn)中認(rèn)真細(xì)心觀察進(jìn)尺情況和砂石泵的排水出渣情況，當(dāng)排量減小和出水量中含鉆渣量大時(shí)，控制鉆進(jìn)速度，防止因循換密度大或管道堵塞而中斷循環(huán)。

（3）加接鉆桿時(shí)，先停鉆并將鉆具提離孔底0.1m維持沖洗液循環(huán)1-2分鐘，以清洗孔底、鉆具中的鉆渣，然后停泵加接鉆桿。

（4）對(duì)鉆孔進(jìn)程中出現(xiàn)塌孔的異常情況，采用停機(jī)并將鉆具提離孔底，控制泵量，保持泥漿循環(huán)，吸除坍落物，保持水頭壓力以控制防止孔壁繼續(xù)塌孔。恢復(fù)正常鉆進(jìn)后，控制泵的排泥量不宜過大，避免吸垮孔壁。

（5）鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求孔深后，將鉆具提離孔底100mm左右，保持泥漿沖洗液繼續(xù)循環(huán)一定時(shí)間，當(dāng)返回地面泥漿不含泥渣時(shí)，停機(jī)測(cè)量樁底標(biāo)高，校正孔深，符合設(shè)計(jì)要求并現(xiàn)場監(jiān)理及技術(shù)人員驗(yàn)收合格后才可提鉆。

（6）提鉆時(shí)要求操作平穩(wěn)，防止鉆頭拖刮孔壁，并向孔內(nèi)補(bǔ)漿，保持孔內(nèi)水頭高度，防止坍孔。

（7）隨時(shí)檢查管路密封，防止假循環(huán)造成燒鉆事故。

（8）鉆頭和鉆桿下孔前，要求鉆機(jī)操作人員認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)有裂痕的鉆桿、鉆具嚴(yán)禁下孔內(nèi)，防止鉆具脫落。對(duì)鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)的異常聲響和蹩車情況，要求立即停機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員找出原因并采取措施后才同意開鉆。

3.2.2清孔施工：

（1）鉆孔到設(shè)計(jì)深度,施工單位提出終孔要求,需由現(xiàn)場監(jiān)理工程師決定,并進(jìn)行孔徑,孔偏斜度、孔深的驗(yàn)收。驗(yàn)收方法是制造一個(gè)長度等于4-6倍樁徑,直徑等于孔徑的鋼筋籠,將鋼筋籠吊放入孔,并順利放到設(shè)計(jì)要求的孔底,說明孔徑和偏斜度達(dá)到要求。孔深用測(cè)繩和鋼尺丈量。鋼筋籠放不到底時(shí)還需要修孔直至孔壁鉛直,鋼筋籠能順利放到底為止；

（2）清孔方法是用原漿換漿法清孔,清孔后泥漿指標(biāo)比重1.15-1.20之間,含砂量小于4%,粘度20-22°,孔底沉渣小于5cm。為防止孔內(nèi)沉渣大于規(guī)范要求,一般用抽吵筒先將孔內(nèi)泥砂打掉再換漿；

（3）清孔時(shí)應(yīng)保持鉆孔內(nèi)泥漿面高于地下水位1.5-2.0m防止塌孔；

（4）清孔達(dá)到要求,由監(jiān)理工程師再次驗(yàn)收孔深,泥漿和沉渣厚度。經(jīng)監(jiān)理工程師簽證,同意隱蔽,灌注混凝土,再進(jìn)行下道工序；

3.3水下混凝土施工

開始灌注前，導(dǎo)管下端距孔底0.5-0.6m，把隔水塞用鐵絲僅僅懸掛于導(dǎo)管內(nèi)。先灌入一定質(zhì)量的水泥砂漿（配合比為水泥：水：砂=1：0.5：1.5），再灌入設(shè)計(jì)要求的混凝土，初灌后檢查混凝土面高度，保證埋管深度大于1.5米?；炷辆鶆蜻B續(xù)的注入導(dǎo)管，嚴(yán)禁中途停工，滿足埋管深度要求并及時(shí)測(cè)量孔內(nèi)混凝土面高度，適時(shí)拆卸倒灌，導(dǎo)管和埋置深度控制在2-7米。灌注過程中注意觀察孔口返水情況，若出現(xiàn)返水偏小時(shí)，應(yīng)檢查原因及時(shí)處理，防止堵管事故發(fā)生。若發(fā)生堵管事故，則可以采取上下活動(dòng)導(dǎo)管方法進(jìn)行處理，要控制好高度，不得使導(dǎo)管埋深小于2m。灌注接近樁頂時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)外混凝土面高差減小，混凝土面上升困難，此時(shí)應(yīng)控制到管內(nèi)混凝土注入量，同時(shí)加密混凝土面高度測(cè)量次數(shù)，及時(shí)掌握灌注情況，為了保證樁頭強(qiáng)度，混凝土超過設(shè)計(jì)標(biāo)高50厘米.測(cè)量混凝土?xí)r，要從樁面對(duì)稱的2個(gè)和4個(gè)位置測(cè)量混凝土面，最低處為混凝土面高度。測(cè)量時(shí)要及時(shí)、準(zhǔn)確記錄孔內(nèi)混凝土量，混凝土面上升高度、導(dǎo)管拆除長度、導(dǎo)管埋深及孔內(nèi)導(dǎo)管長度等數(shù)據(jù)，作為灌注樁水下混凝土灌注施工紀(jì)錄的工程資料。此外，還應(yīng)注意，混凝土要連續(xù)澆注,中斷時(shí)間不超過30分鐘。澆灌的樁頂標(biāo)高應(yīng)高出設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5m以上。泵送混凝土直接輸送至工作面，施工中應(yīng)保證場地清潔衛(wèi)生,泥漿不可到處外溢,泥渣應(yīng)及時(shí)清除。

4常見質(zhì)量問題及其處理措施

4.1持力層判斷不準(zhǔn)確

4.1.1引起持力層判斷不準(zhǔn)確的原因有：因持力層厚度變化較大及中風(fēng)化花崗巖層埋深太深，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層誤判為中風(fēng)化花崗巖層。

4.1.2常見的預(yù)防措施及處理方法是：①對(duì)樁基礎(chǔ)持力層變化較大的場地，應(yīng)適當(dāng)加密地質(zhì)勘探孔，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充勘探；②以地質(zhì)資料的的深度為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆機(jī)的受力、主動(dòng)鉆桿的抖動(dòng)情況和孔口模樣進(jìn)行綜合判定；③持力層的判斷必須由地勘單位人員判定。

4.2孔口高程及鉆孔深度誤差

4.2.1引起孔口高程及鉆孔深度誤差的原因有：①于地質(zhì)勘探完成后場地再次回填，計(jì)算孔口高程時(shí)疏忽引起的誤差；②施工場地在施工過程中廢渣的堆積、場地硬化等導(dǎo)致地面不斷升高，孔口高程發(fā)生變化所造成的誤差。

4.2.2常見的預(yù)防措施及處理方法是：

①認(rèn)真校核原始水準(zhǔn)點(diǎn)和各孔口的絕對(duì)高程，每根樁開孔前復(fù)測(cè)一次孔口高程；②鉆孔的終孔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以樁端進(jìn)入持力層深度為準(zhǔn)，不宜以固定孔深的方式終孔（設(shè)計(jì)定長的樁除外，如：本工程純地下室抗拔樁）；③鉆孔到達(dá)樁端持力層后應(yīng)及時(shí)取樣鑒定，并由地勘單位人員分入巖巖面判定、終孔巖面判定二次確認(rèn)。

4.3樁孔傾斜

4.3.1引起樁孔傾斜的原因有：

①樁機(jī)架在施工中逐漸傾斜；②所用樁錘偏心過大或掉齒；③沖進(jìn)過程中遇有探頭石或障礙物；④樁施工現(xiàn)場地質(zhì)巖層走向的坡度很大，或孔底土質(zhì)不均勻，巖石強(qiáng)度不一。

4.3.2常見的預(yù)防措施及處理方法是：

①壓實(shí)、平整施工場地，安裝機(jī)臺(tái)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢查鉆機(jī)的平整度和主動(dòng)鉆桿的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差應(yīng)立即調(diào)整；②定期檢查鉆頭、鉆桿、鉆桿接頭，定時(shí)檢查樁錘，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)維修或更換；③在軟硬土層交界面或斜巖面鉆進(jìn)，應(yīng)低速低鉆進(jìn)；④發(fā)生斜孔后，若斜孔較嚴(yán)重的可向樁孔內(nèi)回填塊石和粘土塊，然后用低錘密沖，反復(fù)矯正。

4.4塌孔與縮徑

4.4.1引起塌孔與縮徑的原因有：

①地層復(fù)雜，砂層、卵石層和淤泥層的整體性較差；②鉆進(jìn)進(jìn)尺過快；③護(hù)壁泥漿性能差，施工至夾層部位時(shí)，仍采用劣質(zhì)泥漿，在沖孔樁錘的連續(xù)作用下，夾層部位的孔壁不穩(wěn)定；④成孔后放置時(shí)間過長沒有灌注混凝土；⑤另外，在石灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行樁基施工時(shí)，由于石灰?guī)r地區(qū)地下溶洞裂隙發(fā)育期連通性好，當(dāng)樁孔碰到地下溶洞、溶槽時(shí)，會(huì)因泥漿漏失而使樁孔內(nèi)泥漿面驟然下降，孔壁突然失去泥漿靜壓力的作用而向樁孔內(nèi)坍塌。

4.4.2常見的預(yù)防措施及處理方法是：

①?zèng)_（鉆）孔灌注樁穿過較厚的砂層、礫石層時(shí)，成孔速度應(yīng)控制在2m/h以內(nèi)，泥漿性能主要控制其密度為1.3~1.4g/cm3，粘度為20~30s，含砂率≤6%，若孔內(nèi)自然造漿不能滿足以上要求時(shí)，可采用加粘土法改善泥漿的性能，通過對(duì)泥漿的除砂處理，控制泥漿的密度和含砂率；②立即將樁錘提起，并拋填小石塊和粘土塊，致塌孔位置以上1~2m，并待其沉積后重新反復(fù)沖擊造壁；③無特殊原因，鋼筋籠安裝完成，二次清孔后立即灌注混凝土。④若以上方法仍沒有效果，那么，須征得設(shè)計(jì)同意采用其它有效的處理方法。

4.5鋼筋籠上浮

鋼筋籠上浮經(jīng)常發(fā)生在沖（鉆）孔樁施工的最后環(huán)節(jié)：水下混凝土的灌注過程中。

4.5.1造成鋼筋籠上浮的主要原因有：

①導(dǎo)管底端接近鋼筋籠底端時(shí)，灌注混凝土的速度太快，混凝土流出時(shí)沖擊力較大，推動(dòng)鋼筋籠向上浮動(dòng)；②埋管過深，混凝土?xí)r間過長，表層混凝土已近終凝，使混凝土與鋼筋之間產(chǎn)生了一定的握裹力，此時(shí)若導(dǎo)管底端未及時(shí)提升到鋼筋籠底端以上，混凝土從導(dǎo)管流出后向上升時(shí)，會(huì)帶動(dòng)鋼筋籠上浮；③提管時(shí)法蘭盤鉤住鋼筋籠。

4.5.2常見的預(yù)防措施及處理方法是：

①鋼筋籠的頂端若在鋼擴(kuò)筒范圍內(nèi)，可將其焊到鋼護(hù)筒上，若在鋼護(hù)筒以下，則可用鋼管套在鋼筋上頂壓；②當(dāng)導(dǎo)管底端接近鋼筋籠底端時(shí)，適當(dāng)放慢灌注速度，并控制好導(dǎo)管的埋深，以減少混凝土的上沖力；③盡量縮短混凝土的整體灌注時(shí)間，若整體灌注時(shí)間較長